Entwicklung eines drahtlosen, multifunktionalen Sensorsystems zur Erfassung der Prozessparameter während der Herstellung von Faserverbundbauteilen
Polymermaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel dieses Projektes war die Entwicklung eines drahtlosen Sensorsystems, mit dem der Aushärtungsgrad einer reagierenden Epoxidharzmatrix basierend auf deren dielektrischen Eigenschaften und deren Temperatur während der Herstellung von Faserverbundstrukturen innerhalb der Struktur überwacht und gesteuert werden kann. Für qualitativ hochwertige, kontrollier- und reproduzierbare Messungen wurde dazu ein temperierbarer Messstand mit einer variablen Reaktionskammer entworfen und aufgebaut. Für die Dimensionierung der Reaktionskammer und die Abschätzung der benötigten Heiz- und Kühlleistung des Messstandes wurde ein Modell entwickelt, mit dem die interne dreidimensionale Wärmeentwicklung der exothermen Aushärtereaktion als Funktion des Aushärtegrades, der Probenabmessungen und der Umgebungstemperatur berechnet werden kann. Basierend auf den gewonnen Erkenntnissen und durchgeführten Differential Scanning Calorimetry (DSC)-Messungen wurde weiterhin ein neuartiges Reaktionskinetikmodell entwickelt, mit dem der Aushärtegrad der Matrix iterativ aus dem zugehörigen isothermen oder dynamischen Verlauf der Reaktionstemperatur an einem beliebigen Ort mit bekannter Temperatur bestimmt werden kann. Zur systematischen Erschließung der dielektrischen Eigenschaften von aushärtenden Harzsystemen bis in den zweistelligen GHz-Bereich wurden breitbandige Messungen (2–30 GHz) in blasenfrei befüllund temperierbaren, koaxialen Einwegmesskammern durchgeführt, aus denen die frequenzabhängige Interaktion zwischen elektromagnetischen Wellen und aushärtenden Harzsystemen abgeleitet werden konnte. Darauf wurden erstmalig hochpräzise Charakterisierungen der dielektrischen Eigenschaften von aushärtenden Matrix-Proben in einem 24 GHz hemisphärischen offenen Resonator bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt. Diese konnten sowohl durch die im erweiterten Berechnungsalgorithmus implementierten Kontrollmechanismen als auch durch Messungen mit einem refokussierenden K-Band (18–26,6 GHz) Freistrahl-Transmissionsaufbau verifiziert werden. Die Korrelation der temperaturabhängigen Aushärtungsverläufe, die aus dem mit DSC-Messungen entwickelten Reaktionskinetikmodell und den unterschiedlichen dielektrischen Messungen berechnet wurden, wurde weltweit erstmalig durchgeführt. Der direkte Zusammenhang zwischen den dielektrischen Eigenschaften im betrachteten Frequenzbereich und dem Aushärtegrad konnten aufgrund der sehr guten Übereinstimmung in diesem Bereich bestätigt werden. Da vor allem die zunehmende Dicke eines eingebrachten Körpers die Stabilität einer Struktur deutlich verringert, wurde ein Ansatz für möglichst dünne Sensoren gewählt, welcher auf passiven Leitungsstrukturen anstelle von integrierten Bauelementen basiert. Im Rahmen dieser und weiterer Untersuchungen konnte ein Modell zur Abschätzung der von der Sensorgröße und Oberflächenmaterial abhängigen Tragfähigkeitseinbußen gewonnen werden. Um die Einbußen zu reduzieren, wurde eine Optimierung der Grenzschichtanbindung von HF-Substraten durchgeführt. Die beste Anbindung des verwendeten metallisierten HF-Substrates RO4003C konnte mit einer plasmabehandelten Lötstoplackoberfläche erzielt werden. Für die Herstellung eines möglichst kleinen Sensors, bei ausreichender Eindringtiefe, wurde das Sensorkonzept für das ISM-Band bei 24 GHz konzeptioniert. Als Referenzmesssystem für den drahtlosen Sensor wurde ein optimiertes, wiederverwendbares, dielektrisches Koaxialresonator-Messsystem entwickelt, das speziell für den Einsatz und die Integration in eine temperierbare Vakuuminfusionskammer geeignet ist. Der entwickelte Sensor ist als 0,45 mm starke Triplate-Leitungsstruktur mit zwei substratintegrierten Hohlraumresonatoren ausgeführt. Die beiden Absorptionsresonanzen der Resonatoren dienen dabei als Messgrößen für die Temperatur und die dielektrischen Eigenschaften. Die Trennung von Speiseund Messsignal erfolgt über zwei orthogonal polarisierte Patchantennen. Die Messergebnisse dieser weltweit ersten energieautarken chiplosen 24-GHz-Sensoren zur Verfolgung der dielektrischen Eigenschaften und der Temperatur von Harzsystemen während der Aushärtung stimmen sehr gut mit den Referenzmessungen (dielektrische Eigenschaften und Temperatur) und den berechneten Aushärtungsverläufen des Reaktionskinetikmodells überein und sind somit sehr gut für das drahtlose Messen des Aushärtegrades und der Temperatur im Bauteilinneren einsetzbar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Analyzing the network formation and curing kinetics of epoxy resins by in situ near-infrared measurements with variable heating rates, Thermochimica Acta 616, pp 49-60, 2015
E. Duemichen, M. Javdanitehran, M. Erdmann, V. Trappe, H. Sturm, U. Braun, G. Ziegmann
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„An iterative approach for isothermal curing kinetics modelling of an epoxy resin system”, Thermochimica Acta 623, pp 72–79, 2015
M. Javdanitehran, D. C. Berg, E. Duemichen, G. Ziegmann
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„Design, Calibration and Validation of 24 GHz Resonators for Epoxy Resin Cure Monitoring Systems in the Fibre-Reinforced Plastics Fabrication”, Proc. World Conference on Non-Destructive Testing 2016, July 2016
J. Groh, J. Schür, M. Javdanitehran, G. Ziegmann , M. Vossiek
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„Effect of embedded printed circuit board (PCB) sensors on the mechanical behavior of glass fiber-reinforced polymer (GFRP) structures“, Smart Materials and Structures, vol. 25, no. 6, pp. 065016, May 2016
M. Javdanitehran, R. Hoffmann, J. Groh, M. Vossiek, G. Ziegmann
